Materiali di interfaccia termica

C’è molta pressione

Gli sviluppi nei veicoli elettrici stanno aumentando le esigenze riguardo ai materiali per interfacce termiche. Peter Donaldson analizza cosa è importante e cosa invece no

Un materiale per interfacce termiche (TIM) ha un compito apparentemente semplice: riempire i piccolissimi spazi d’aria tra una sorgente di calore e un dissipatore per permettere il passaggio dell’energia termica. Per decenni, ciò veniva solitamente realizzato con un materiale semplice scelto da un catalogo in base a un unico valore relativo alla conducibilità termica volumetrica. Oggi non è più così. Tre sviluppi paralleli nei veicoli elettrici stanno inducendo cambiamenti fondamentali in questi materiali.

Il primo aspetto riguarda il passaggio a architetture di batterie di tipo cell-to-pack e cell-to-chassis. Ciò significa che un TIM non può più essere semplicemente un conduttore termico tra un modulo e una piastra di raffreddamento. Al contrario, deve fungere da adesivo strutturale su ampia superficie, da isolante elettrico a alta tensione e da elemento fondamentale per prevenire fenomeni di deriva termica. Deve inoltre essere applicato rapidamente e garantire prestazioni per tutta la durata della vita del veicolo.

Il secondo aspetto riguarda l’adozione di semiconduttori a banda larga come SiC e GaN negli inverter di trazione, il che porta le temperature delle giunzioni oltre i 200 °C, in un range in cui i tradizionali TIM organici non funzionano più e persino i saldanti ad alto contenuto di piombo raggiungono i loro limiti. Le soluzioni includono paste di argento e rame sinterizzate che trasformano l’interfaccia in un legame metallico solido.

In terzo luogo, il settore sta ora considerando aspetti oltre le prestazioni iniziali e affrontando l’intero ciclo di vita dei materiali. È necessario ora disporre di materiali isolanti termici in grado di resistere per 15 anni o più su strade accidentate e in condizioni di umidità elevata, permettendo al contempo una separazione pulita affinché il pacco batterie possa essere riparato, riutilizzato o riciclato. Il semplice valore di watt per metro kelvin (W/mK) indicante la conducibilità termica riportato nelle schede tecniche non è più sufficiente.

Le principali iniziative per bilanciare un’elevata prestazione termica e una affidabilità termomeccanica includono polimeri progettati con proprietà semicollanti, come i riempitivi di nuova generazione, oppure adesivi conduttivi termici ad alta resistenza di legame (TCA). A seconda della resistenza alla temperatura, possono essere utilizzate tecnologie a base di resine come il poliuretano, l’epossidico o addirittura il silicone per soddisfare le diverse esigenze dei sistemi di batterie, delle applicazioni di conversione dell’energia e degli elettronici per la gestione delle batterie.

Scelta tra proprietà dielettriche e termiche

Una sfida è che un aumento della conducibilità termica avviene spesso a scapito delle prestazioni di isolamento elettrico in un TIM. In molti casi, un singolo materiale potrebbe non essere più in grado di ottimizzare simultaneamente entrambe le proprietà, rendendo attraenti i concetti ibridi. Un tale sistema ibrido potrebbe, ad esempio, combinare strati ceramici altamente conduttivi termicamente con uno strato di interfaccia termica molto sottile, come grasso termico o un riempitivo di spazi – quest’ultimo utilizzato soltanto per compensare le tolleranze e garantire un buon contatto termico. La soluzione esatta dipenderebbe fortemente dalla catena di tolleranze e dal design complessivo degli strati, ma gli approcci a più strati potrebbero diventare una tendenza importante per applicazioni specifiche, con ciascuno strato ottimizzato per la propria funzione particolare.

Nelle configurazioni di batterie cell-to-pack, il TIM deve svolgere contemporaneamente il ruolo di ponte termico, adesivo strutturale e isolante elettrico. Questo requisito spinge le priorità di sviluppo verso l’uso di materiali TCAs. La sfida consiste nel trovare il giusto equilibrio tra resistenza di adesione ed elasticità quando tali materiali vengono utilizzati per unire diverse superfici e i materiali impiegati nelle batterie di nuova generazione.

La modifica nello sviluppo dei TIM causata dalle architetture cella-a-pack sta portando a un allontanamento dalla massimizzazione della conducibilità termica verso un equilibrio tra affidabilità termica, meccanica e dielettrica durante tutto il ciclo di vita della batteria. Il materiale deve bagnare superfici estese, compensare le tolleranze, unire o sostenere le celle, resistere a vibrazioni e invecchiamento, mantenendo al contempo l’isolamento elettrico sotto compressione, umidità e cicli termici.

La caratteristica più difficile da ottenere senza compromessi è solitamente le prestazioni meccaniche/strutturali. Quando un TIM diventa più adesivo o portante, tende a diventare più rigido, più difficile da modificare, a generare maggiori sollecitazioni e talvolta meno tollerante all’ingrossamento delle celle. Aumentare il contenuto di riempitivo migliora la conducibilità termica, ma può compromettere l’allungamento, la lavorabilità e la robustezza dielettrica. Scegliere il polimero giusto può fare una differenza significativa; un’azienda si sta concentrando su materiali a due componenti a base di silicone che offrono una robustezza eccellente contro l’ingrossamento e le vibrazioni.

Un altro approccio prevede l’uso di un silicone altamente adesivo basato sulla tecnologia standard per riempitivi di giunti, il che produce un TIM leggermente meno resistente rispetto a un adesivo strutturale dedicato, ma comunque sufficientemente resistente per molte applicazioni strutturali purché l’intero sistema sia meccanicamente robusto.

Proprietà interdipendenti

È anche difficile ottenere un’elevata conducibilità termica in un materiale che deve possedere tutti i vantaggi di un adesivo strutturale tradizionale. La sfida nel bilanciare conducibilità termica, adesione, resistenza dielettrica, flessibilità meccanica, durata e fattibilità di produzione è particolarmente acuta poiché queste proprietà sono strettamente interdipendenti. Migliorare una di esse spesso comporta svantaggi per un’altra, ed è per questo che è fondamentale che ingegneri progettisti e scienziati discutano i compromessi e le priorità fin dalle prime fasi del ciclo di sviluppo.

Nel gestire questo tipo di complessità, i metodi computazionali come l’apprendimento automatico stanno diventando sempre più preziosi nella scoperta di nuovi materiali. Tali strumenti digitali non solo aiutano a ottimizzare i cicli di progettazione e sviluppo per i principali creatori di materiali, ma consentono anche ai clienti di accedere a “cubi di dati” per utilizzare gemelli digitali nella simulazione dei loro futuri sistemi a batteria. L’uso dell’intelligenza artificiale sta già facilitando la creazione di formule predittive, eliminando efficacemente la necessità di tentativi ed errori fisici attraverso formule iterative.

Tuttavia, l’AI necessita di dati e esperienze sufficienti per funzionare in modo efficace. La sfida nella formulazione di nuovi materiali isolanti termici è che i valori indicati nelle schede tecniche da soli non forniscono informazioni adeguate. Tra i numerosi fattori aggiuntivi da considerare vi sono la qualità e la struttura della superficie, la resistenza al contatto termico, il comportamento sotto compressione e l’interazione all’interno dell’intero sistema. Con l’aumentare dei dati disponibili, però, diventerà molto più semplice prevedere le prestazioni dei materiali isolanti termici e adattarli a una determinata applicazione. L’obiettivo non è necessariamente che l’AI generi direttamente la formulazione di un materiale, ma sarebbe più pratico che essa definisca e ottimizzi i requisiti richiesti. Una volta descritti chiaramente i parametri di prestazione desiderati, il produttore dei materiali isolanti termici può utilizzare modelli AI come strumenti per supportare la ricerca e lo sviluppo dei materiali.

Tuttavia, il settore è ancora lontano da un mondo in cui un ingegnere possa inserire una serie di requisiti e ottenere immediatamente una formulazione completamente ottimizzata e pronta per l’uso, senza alcuna iterazione fisica. L’apprendimento automatico, la dinamica molecolare e i metodi correlati stanno diventando estremamente efficaci nel restringere lo spazio di progettazione, nell’identificare chimie promettenti e nell’aiutare i ricercatori a comprendere i compromessi molto prima nel ciclo di sviluppo.

La sfida più complessa emerge nel divario tra le prestazioni previste del materiale e il comportamento reale nell’applicazione pratica. Il futuro probabilmente non vedrà progettazioni prive di iterazioni fisiche, ma piuttosto flussi di lavoro di sviluppo fortemente accelerati, in cui i calcoli svolgono la maggior parte del lavoro di selezione e ottimizzazione, mentre test mirati verificano le prestazioni nel sistema reale.

Sfide legate all’escalation

Una fabbrica che produce pacchetti di batterie o componenti elettronici su larga scala è molto diversa da un laboratorio che testa i materiali di interfaccia termica su piccoli campioni. La produzione effettiva di veicoli elettrici presenta ulteriori sfide, come aree estese, tolleranze di produzione elevate, tempi di ciclo lunghi, velocità di distribuzione rapide, condizioni di spazio variabili, variazioni di temperatura nelle strutture a seconda delle stagioni e fasi di assemblaggio strettamente programmate.

Tutto ciò ha modificato il modo in cui alcune aziende testano i propri prodotti: ad esempio, creano dei propri sistemi di batterie esclusivamente per poter implementare nuovi materiali di interfaccia termica e altri componenti su larga scala durante lo sviluppo, per far funzionare il sistema in condizioni di guida reali e sottoporlo a eventi rapidi di carica e scarica. Ciò permette di ottenere feedback molto precoci.

Un aspetto fondamentale è che interfacce e processi determinano il rendimento su larga scala. Un TIM – ad esempio in formato nastro – fallisce raramente a causa della sua conduttività intrinseca, ma piuttosto a causa delle irregolarità superficiali che si verificano nella produzione reale, degli errori di tolleranza, delle pressioni non uniformi e dei vincoli legati all’assemblaggio ad alta velocità. È quindi essenziale progettare i TIM fin dall’inizio per garantire robustezza nella produzione, il che include assicurare un rapido inumidimento a bassa pressione, tolleranza alle variazioni e prestazioni stabili durante l’intero ciclo produttivo, compresa l’applicazione tramite robot nell’assemblaggio finale.

Un approccio per ampliare la produzione prevede test preliminari dei coupon: per le proprietà di compressione, la conducibilità termica in relazione al rapporto di compressione e il comportamento di deformazione sotto compressione; parallelamente, vengono forniti campioni per valutazioni di assemblaggio insieme ai componenti forniti dal cliente, consentendo così la validazione in condizioni reali di assemblaggio. Durante tutto il processo è importante valutare le prestazioni in base a tutti i parametri per individuare problemi, sia previsti che imprevisti, in conformità con standard come l’IATF 16949, fornendo al contempo ai clienti spiegazioni dettagliate per supportare le loro valutazioni.

I centri regionali di applicazione per batterie rappresentano un’innovazione nel trattamento dei materiali per la produzione. Tali centri supportano anche i test, fornendo principalmente informazioni preliminari sui parametri di produzione ai clienti prima che ordinino le attrezzature necessarie.

Pertanto, concentrarsi sul sistema completo fin dal primo giorno diventa sempre più importante. Un allineamento precoce tra il TIM e le attrezzature di processo, che includa fin dalle fasi iniziali il fornitore del sistema di dosaggio, è considerato sempre più cruciale. Se le combinazioni di materiali e attrezzature sono già state verificate in progetti precedenti, è possibile evitare molti problemi potenziali. Qualora il materiale sia nuovo, è possibile fornire “campioni di riferimento” per i parametri critici al fine di definire un intervallo operativo stabile.

L’obiettivo non è semplicemente creare un TIM che funzioni bene in condizioni ideali, ma uno che rimanga prevedibile, scalabile e affidabile nell’ambiente non ideale e ad alta velocità in cui verrà utilizzato.

Riparazione, riutilizzo, riciclo

Oltre alla fabbricabilità e alle prestazioni in funzione, anche la riparabilità e la riciclabilità sono entrate a far parte dell’elenco dei requisiti fondamentali che i sviluppatori di materiali devono soddisfare – per le batterie e per molte altre applicazioni. Stanno emergendo diversi approcci per rispettare questi requisiti legati alla circolarità. Uno di questi consiste nel separare i materiali su richiesta, sfruttando una varietà di meccanismi di attivazione. Ad esempio, esistono adesivi termicamente conduttivi o strutturali attivabili elettricamente per facilitare le riparazioni, nonché rivestimenti funzionali attivabili termicamente in fase di sviluppo per favorire la riciclabilità.

Invece di necessitare di un meccanismo di attivazione, alcuni materiali isolanti termici supportano intrinsecamente il smontaggio. Ad esempio, alcuni liquidi utilizzati per colmare gli spazi presentano un’ottima adesione, ma possono comunque essere separati quando necessario.

Sono possibili TIM ad alte prestazioni veramente riutilizzabili, ma solo se vengono considerate fin dall’inizio come una sfida di progettazione condivisa. Ciò richiede una stretta collaborazione tra gli ingegneri del design dei pacchi e i sviluppatori di materiali, poiché la riutilizzabilità non è qualcosa che può essere aggiunto in seguito senza conseguenze. Ci saranno compromessi nelle prestazioni del materiale, e l’obiettivo è comprendere tali aspetti fin dalle prime fasi affinché il design finale possa trovare l’equilibrio giusto tra prestazioni termiche, fattibilità di produzione e manutenibilità. Alcuni materiali di questo tipo sono già disponibili per applicazioni in batterie per veicoli elettrici.

La riutilizzabilità rappresenta una sfida di progettazione a livello sistemico. Invece di un rimozione semplice in tutte le condizioni, l’obiettivo è una separazione controllata e prevedibile senza danneggiare i componenti.

Nella ricerca della longevità

Nel perseguire un utilizzo efficiente delle risorse materiali, la longevità è altrettanto importante della riparabilità e del riciclabilità. Ai sviluppatori viene chiesto di garantire prestazioni per un periodo molto più lungo di quanto possano verificare fisicamente – spesso 15 anni – per cui vengono adottate varie altre metodologie predittive. La combinazione di decenni di esperienza con dati di test accumulati, test accelerati di stress e invecchiamento, unita a simulazioni digitali intelligenti, rappresenta un mezzo efficace per confermare le prestazioni a lungo termine.

Negli test accelerati, è importante sottolineare che essi hanno senso solo quando riflettono modi reali di guasto, come la perdita della pressione di contatto o il degrado interfaciale. Abbinando ciò a formulazioni stabili e margini di progettazione conservativi, è possibile instillare una fiducia fondata sulla fisica nelle prestazioni a lungo termine.

Inoltre, fornire indicazioni sui fattori chiave che possono influenzare le prestazioni nelle condizioni di assemblaggio – come il rapporto di contatto superficiale e i livelli massimi di compressione consigliati per il materiale – aiuta i clienti a progettare correttamente tali condizioni e consente una verifica più efficace della affidabilità a lungo termine a livello di sistema.

L’esperienza nel campo dell’elettronica di potenza è particolarmente utile per garantire una lunga durata, poiché i materiali di interfaccia termica utilizzati in queste applicazioni vengono esposti a temperature operative notevolmente più elevate rispetto a quelle presenti nelle batterie, spesso superiori ai 150 °C.

Le proprietà meccaniche, come l’adesione, possono comunque dipendere da specifiche condizioni di carico, ma anche in questo caso i materiali vengono solitamente progettati tenendo conto di requisiti più elevati. È ancora importante effettuare test di invecchiamento accelerato insieme ai clienti, ma per i materiali a base di silicone in particolare, lo stress termico a cui sono sottoposti nei sistemi di batterie di solito non rappresenta il fattore limitante. Spesso, la discussione riguarda meno la capacità del materiale di resistere per 15 anni e più i test da eseguire, la durata di tali test e la strategia di validazione da adottare.

Nelle applicazioni secondarie, come l’accumulo di energia, i moduli batteria vengono spesso ricostruiti o integrati in sistemi diversi dove sono sottoposti a condizioni operative meno impegnative rispetto all’uso automobilistico, ad esempio a vibrazioni inferiori, e dove la loro durata di vita può essere ancora maggiore.

Elettronica raffreddata a liquido

Il raffreddamento liquido è diventato lo standard in quasi tutte le batterie di veicoli elettrici, ad eccezione delle più piccole, mentre nelle applicazioni dei data center si sta spostando dai rack che ospitano i sistemi di elaborazione ai chip stessi. Questo metodo inizia anche ad essere utilizzato negli invertitori per veicoli elettrici ad alta potenza, sebbene non nello stesso modo dei data center. Il raffreddamento diretto sui chip si basa sugli stessi principi fondamentali dei materiali isolanti termici utilizzati in altri sistemi di raffreddamento avanzati, ma richiede condizioni molto più severe. Poiché questi sistemi operano con flussi di calore estremamente elevati, necessitano di uno spessore delle linee di collegamento strettamente controllato, di una perfetta piattezza delle piastre di raffreddamento e di un carico meccanico preciso. Anche piccole variazioni possono aggravare la formazione di punti caldi, aumentare lo stress termomeccanico e mettere a rischio l’affidabilità del componente. Pertanto, il raffreddamento diretto sui chip eleva notevolmente le esigenze in termini di prestazioni dei materiali isolanti termici, trasformando ciò che spesso è una semplice scelta materiale in un problema legato alla progettazione complessiva del sistema.

Man mano che il raffreddamento si avvicina al chip in SiC, il ruolo del TIM passa dalla conduzione termica a bulk all’ingegneria di interfaccia precisa. In questo contesto diventano fondamentali linee di collegamento estremamente sottili, un contatto privo di vuoti, la riduzione delle sollecitazioni meccaniche e l’affidabilità in condizioni di transizioni termiche rapide.

Problemi legati ai materiali solidi

Le batterie a stato solido emergenti promettono una maggiore densità energetica, ma introducono nuove sollecitazioni termo-meccaniche alle interfacce con gli elementi di raffreddamento. Nelle batterie al litio-ione attuali, i TIM vengono spesso progettati per far fronte all’ingrossamento e ai movimenti che si verificano nel corso della vita utile della batteria; tuttavia, i requisiti potranno essere influenzati da batterie che si ingrossano in modi diversi rispetto alle attuali batterie di tipo pouch e prismatico.

Negli sistemi a stato solido, la richiesta si sposta verso il mantenimento di un contatto preciso e uniforme in un ambiente meccanico molto meno tollerante. Una minore dilatazione, ad esempio, significa una minore compensazione naturale delle tolleranze, aumentando l’importanza di un contatto stabile sotto pressione controllata.

Questo significa che la prossima generazione di materiali isolanti termici dovrà fare più che semplicemente assorbire i movimenti e garantire un equilibrio rigorosamente controllato tra flessibilità, stabilità dimensionale, prestazioni termiche e affidabilità a lungo termine dell’interfaccia. La sfida non riguarda più tanto la gestione dell’espansione quanto piuttosto il mantenimento del contatto, dove anche piccole variazioni all’interfaccia possono avere un impatto molto maggiore rispetto al passato. I materiali isolanti termici saranno valutati meno in base alla massima conducibilità e più per la stabilità interfaciale a lungo termine, la flessibilità e un comportamento meccanico prevedibile durante tutto il ciclo di vita della cella.

Inoltre, è importante distinguere tra l’espansione delle celle in direzione orizzontale, ovvero l’espansione tra le singole celle, e la sollecitazione in direzione verticale, dove il TIM si trova di solito al di sotto delle celle. L’espansione è generalmente più limitata verticalmente; pertanto, i requisiti imposti dalle batterie a stato solido probabilmente non rappresenteranno una sfida fondamentale per gli sviluppatori di TIM.

Dal punto di vista della gestione termica, l’effetto potrebbe essere più uno sviluppo graduale che una rottura dei modelli esistenti. Ad esempio, i futuri progetti di cellule potrebbero indirizzare l’espansione verso aree specifiche limitandola in altre. Se solo una parte della superficie della cellula può essere utilizzata per la dissipazione del calore, l’area disponibile potrebbe ridursi, ma ciò può essere compensato con materiali termici ad alte prestazioni.

Al momento, le esigenze delle batterie a stato solido sembrano spingere lo sviluppo di materiali termicamente conduttivi ad alta flessibilità, in grado di garantire un’adesione solida, con una conducibilità termica compresa tra 1,3 e 2,0 W/mK. Al momento della stesura di questo testo, tali caratteristiche non presentano differenze significative rispetto alle prestazioni dei materiali TIM attualmente utilizzati nelle batterie, che gli sviluppatori più avanzati stanno già perfezionando.

Una maggiore densità energetica tenderà probabilmente ad aumentare la richiesta di una migliore conducibilità termica, ma ciò è già realizzabile. Nell’elettronica di potenza vengono già utilizzati materiali con una conducibilità termica notevolmente superiore a quella delle soluzioni TIM attualmente in uso per le batterie.

Come in molti ambiti tecnologici legati all’e-mobilità, le esigenze riguardanti le prestazioni, la fabbricabilità, l’aumento della durata di vita e la riduzione dell’impatto ambientale dei materiali di interfaccia termica stanno rendendo prodotti un tempo semplici molto più complessi dal punto di vista dell’ingegneria necessaria per la loro realizzazione.

Riconoscimenti

L’autore desidera ringraziare Holger Schuh, responsabile senior per le tecnologie termiche e di lavorazione presso Henkel; Wolfgang Hoefer, responsabile del settore aziendale presso Kerafol; Eric Wyman, responsabile dello sviluppo commerciale presso Parker, e Shane Thompson, responsabile ingegneristico per le tecnologie dei materiali elettronici sempre presso Parker; nonché gli esperti di Saint-Gobain.

Alcuni fornitori di materiali di interfaccia termica

C-Therm

Dow

Gravic Group

HB Fuller

Henkel

KERAFOL

Laird

Parker

Saint-Gobain

Sika